D類功放設計須知（四）

　　引 言

　　多媒體時代，傳統(tǒng)A類、B類、AB類線性模擬音頻放大器因效率低，能耗大，已不能滿足電子視聽類LCD／PDP／OLED／LCOS／PDA等綠色節(jié)能、高效、體積小等新發(fā)展趨勢，而非線性音頻放大器件Class-D類功放因具備節(jié)能、高效率、高輸出功率、低溫升效應、占用空間小等優(yōu)點，將被納入越來越多新產(chǎn)品設計中。D類放大器架構上分半橋非對稱型和全橋對稱型，而全橋類相對半橋型具有高達4倍的輸出功率，更為高效；從信號適應上分模擬型和I2S全數(shù)字型，因全數(shù)字型尚處發(fā)展階段，成本高，而模擬型因成本優(yōu)勢將在未來幾年處于應用主流。本文重點剖析了全橋模擬型D類功放設計要素，實現(xiàn)了一種基于NXP公司新型綠色能效模擬D類功放TFA9810T電路設計，并重點對綠色節(jié)能高效、高輸出功率、低溫升效應、PCB布局、EMI抑制幾個方面進行總結分析。

　　1 D類功率放大器原理特點

　　1．1 D類放大器系統(tǒng)結構

　　D類放大器由積分移相、PWM調制模塊、G柵級驅動、開關MOSFET電路、Logic輔助、輸出濾波、負反饋、保護電路等部分組成。流程上首先將模擬輸入信號調制成PWM方波信號，經(jīng)過調制的PWM信號通過驅動電路驅動功率輸出級，然后通過低通濾波濾除高頻載波信號，原始信號被恢復，驅動揚聲器發(fā)聲，如圖1所示。

　　1．2 調制級（PWM-Modulation）

　　調制級就是A／D轉換，對輸入模擬音頻信號采樣，形成高低電平形式數(shù)字PWM信號。圖2中，比較器同相輸入端接音頻信號源，反向端接功放內(nèi)部時鐘產(chǎn)生的三角波信號。在音頻輸入端信號電平高于三角波信號時，比較器輸出高電平VH，反之，輸出低電平VL，并將輸入正弦波信號轉換為寬度隨正弦波幅度變化的PWM波。這是D類功放核心之一，必須要求三角波線性度好，振蕩頻率穩(wěn)定，比較器精度高，速度快，產(chǎn)生的PWM方波上升、下降沿陡峭，深入調制措施參見文獻［2］。

　　1．3 全橋輸出級

　　輸出級是開關型放大器，輸出擺幅為VCC，電路結構如圖3所示。將MOSFET等效為理想開關，關斷時，導通電流為零，無功率消耗；導通時，兩端電壓依然趨近為零，雖有電流存在，但功耗仍趨近零；整個工作周期，MOSFET基本無功率消耗，所以理論上D類功放的轉換效率可接近100％，但考慮輔助電路功耗及MOSFET傳導損耗，整體轉換效率一般可達90％左右。因為轉換效率很高，所以芯片本身消耗的熱能小，溫升也才很小，完全可以不考慮散熱不良，因此被稱為綠色能效D類功放。

　　對全橋，進一步減小導通損耗，要使MOSFET漏源的導通電阻RON盡量小。選取低開關頻率和柵源電容小的MOSFET，加強前置驅動器的驅動能力。

　　1．4 LPF低通濾波級

　　LPF濾波器可消除PWM信號中電磁干擾和開關信號，提高效率，降低諧波失真，直接影響放大器帶寬和THD，必須設置合適截止頻率和濾波器滾降系數(shù)，以保證音頻質量。對于視聽產(chǎn)品，20 Hz～20 kHz為可聽聲；低于20 Hz為次聲；高于20 kHz為超聲。應用中一般設置截止頻率為30 kHz，這個頻率越低，信號帶寬越窄，但過低會損傷信號質量，過高會有噪聲混入。常用LPF濾波器一般有巴特沃思濾波器、切比雪夫濾波器、考爾濾波器三種。巴特沃思濾波器在通帶BW內(nèi)最大平坦幅度特性好，易實現(xiàn)，因此視聽產(chǎn)品多采用等效內(nèi)阻小，輸出功率大的LC二階巴特沃思濾波器如圖4所示。

　　1．5 負反饋

　　負反饋是LPF電路，將檢測到的輸出級音頻成分反饋到輸入級，與輸入信號比較，對輸出信號進行補償、校正、噪聲整形，以此改善功放線性度，降低電源中紋波（電源抑制比，PSRR）。負反饋可減小通帶內(nèi)因脈沖寬度調制、輸出級和電源電壓變化而產(chǎn)生的噪聲，使輸出PWM中低頻成分總能與輸入信號保持一致，以得到很好的THD，使聲音更加豐富精確。

　　1．6 功耗效率分析

　　D類效率在THD《7％情況下，可達85％以上效率，遠高于普及使用的最大理論效率78.5％的線性功放。根本原因在于輸出級MOSFET完全工作在開關狀態(tài)。理論上，D類功放效率為：

　　假設D類功放MOSFET導通電阻為RON，所有其他無源電阻為RP，濾波器電阻為RF，負載電阻為RL，則不考慮開關損耗的效率為：

　　式中：fOSC是振蕩器頻率；tON和tOFF分別是MOSFET開、關頻率。此時效率為：

　　由上述公式得知，D類功放中負載RL，相對其他電阻，比值越大效率越高；MOSFET作為續(xù)流開關，所消耗的功率幾乎等于MOSFET導通阻抗上I2RON損耗和靜態(tài)電流總和，相比較輸出到負載的功率幾乎可忽略。所以，其效率遠高于線性功放，如圖5所示。非常適應現(xiàn)今綠色節(jié)能的要求，適合被平板等數(shù)字視聽產(chǎn)品規(guī)模使用。

　　2 D類功放需要注意的關鍵點

　　在D類設計應用中需注意以下幾點：

　　2．1 Deadtime（死區(qū)校正）

　　全橋MOSFET管輪流成對導通，理想狀態(tài)一對導通，另一對截止，但實際上功率管的開啟關斷有一個過程。過渡過程中，必有一瞬間，如圖3所示，在IN1／IN3尚未徹底關斷時IN2／IN4就已開始導通；因MOSFET全部跨接于電源兩端，故極端的時間內(nèi)，可能會有很大的電壓電流同時加在4個MOSFET上，導致功耗很大，整體效率下降，而且器件溫升加劇，燒壞MOSFET，降低可靠性。為避免兩對MOSFET同處導通狀態(tài)，引起有潛在威脅的很大短路電流，應保證一對MOSFET導通和另一對MOSFET截止期間有一個很短的停滯死區(qū)時間（Dead-time），這個時間由Logic邏輯控制器控制，以有效保證一組MOSFET關斷后，另一組MOSFET再適時開啟，減小MOSFET損耗，提高放大器效率。

　　但Deadtime設置不當，將出現(xiàn)如下問題：

　?。?）輸出信號中將產(chǎn)生毛刺，造成電磁干擾，也即死區(qū)時間內(nèi)，IN1／IN3都關斷。完全失控的輸出電壓將受到圖6（a）中體二極管電流的影響（體二極管電流的形成，參見下文EMI節(jié)），輸出波形中將出現(xiàn)毛刺干擾。

　?。?）Deadtime過大，輸出波形中出現(xiàn)的毛刺包含的能量將持續(xù)消耗在體二極管中，以熱能形式消耗能量，嚴重影響芯片工作穩(wěn)定性和輸出效率。

　?。?）Deadtime過長，影響放大器線性度，造成輸出信號交越失真，時間越長，失真越嚴重。

　　2．2 EMI（Electro-Magnetic InteRFerence）

　　EMI主要由MOSFET體二極管反向恢復電荷形成，具體產(chǎn)生機理如圖6所示。

　　第一階段，MP1-MOSFET導通，有電流流過MOSFET和后級LPF電感；第二階段，全橋進入Dead-time期間，MP1本身關斷，但其體二極管依然導通，保證后級電感繼續(xù)續(xù)流；第三階段，Deadtime期結束，MN1導通瞬間，若MP1體二極管存儲的剩余電荷尚未完全釋放，則瞬間釋放上一次導通期間未釋放的存儲電荷，導致反向恢復電流激增，此電流趨向于形成一個尖脈沖，最終體現(xiàn)在輸出波形上，如圖6（b）所示。因此，輸出頻譜會在開關頻率以及開關頻率倍頻處包含大量頻譜能量，對外形成EMI。

　　為抑制EMI，以降低輸出方波頻率，減緩方波頂部脈沖為目的，將一些內(nèi)部EMI消除電路新技術應用于新產(chǎn)品中：

　　（1）Dither。擴展頻譜技術，即在規(guī)定范圍內(nèi)，周期性調整三角波采樣時鐘頻率，基波和高次諧波避開敏感頻段，使輸出頻譜能量平坦分散；

　?。?）增加主動輻射限制電路，輸出瞬變時，主動控制輸出MOSFET柵極，以避免后級感性負載續(xù)流引起高頻輻射。

　　2．3 印制板PCB布局設計規(guī)則

　　（1）因輸出信號含大量高頻方波，需將加入的低失真、低插入損耗LC濾波電容和鐵氧體電感低通濾波器件緊密靠